eGaN FET和IC为手术机器人带来精确控制

eGaN FET和IC为手术机器人带来精确控制

使用外科手术机器人进行微创手术，为外科医生提供了前所未有的控制力，使其能够实现更高水平的精确度，从而降低患者的风险和创伤并加快恢复速度。许多电机用于控制各种机器人的附肢，如手臂、关节和工具控制，这使得手术机器人具备所需的自由度（DOF）和灵活性，以执行极其精细的操作。因此，电机控制电路的重量和尺寸是这种机器人设计中的重要因素，因为它们直接影响在手术过程中操纵机器人附肢的电机的尺寸。

用于机器人手术的首选电机是三相无刷直流（BLDC）电机。这些电机在其功率等级下紧凑，能够精确控制，提供高电机效率，并且在正确控制时可以以最小的振动运行。电机电压的选择在24V到48V之间，其决定因素是平衡功率导体的厚度和重量与绝缘厚度和刚度，以实现最佳性能和灵活性。

这些电机由逆变电路驱动，在大多数情况下是三相的，传统上使用MOSFET。随着eGaN FETs的出现，这些开关速度比MOSFET快得多，现在可以设计逆变器在更高频率下运行，从而提高电机效率。

能够在更高的工作频率下运行有很多好处，包括但不限于增加电机的控制带宽。这提高了电机的控制精度。此外，更高的频率可以减少甚至消除机械振动，这对于利用更高的控制精度至关重要。

来源: Globalsources.com

为了防止在更高频率下运行时电机过热，可以添加一个紧凑的滤波器，该滤波器对系统的损耗微乎其微。该组合仍然比使用MOSFET设计的系统具有更高的机电效率和性能，此外还确保了更低的EMI生成，使其更容易符合监管标准。

电机的尺寸和功率等级会根据位置和分配的任务而有所不同，例如，需要更高功率的电机来操纵手臂，而低功率电机则用于操作小型精密工具。因此，电机的功率等级直接影响为电机供电的逆变驱动器的功率等级。

用于外科手术机器人电机驱动的eGaN FETs

典型的逆变器由三个半桥组成，每个输出连接到电机的一个相位，如图3所示。理想情况下，FETs使用PWM技术开关，并进行正弦调制以最大限度地减少振动。由于重量和尺寸的限制，不应使用散热片来冷却逆变器的FETs。

鉴于电机电压等级在24V到48V之间，eGaN FET的VDS额定值可以在40V和100V之间选择。根据功率需求，连续电流额定值可以低至1A，高至60A。不论电流或电压额定值如何，基本的驱动拓扑和操作保持不变。

eGaN FET非常适合用于外科手术机器人电机驱动，因为在40V到100V电压范围内，其硬开关优值比MOSFET低三到四倍。这使得基于eGaN FET的驱动能够在更高的效率和更高的频率下运行，因此精度更高。

图3：典型的带滤波器的三相电机驱动
图4：适用于外科手术机器人电机的eGaN FET

电机驱动可以基于大量的分立eGaN FET选项来实现，如表1所示，电机功率等级决定了FET电流额定值。eGaN FET相比MOSFET的一个优势是其更小的有源器件面积，这包括电源级的单片集成。这个特性对于操作工具的小型电机尤其有用。表2中列出了一些单片集成的eGaN FETs。

每个eGaN FET都可以购买半桥开发套件。这些开发套件可以用于快速组装电机驱动，以进行性能评估。

eGaN FET在可靠性方面有着良好的记录，并且已经有AEC 认证的部件。

表1：用于外科手术电机驱动的分立eGaN FET
表2：用于外科手术电机驱动的单片集成eGaN FET
部件编号 配置 VDS最大值V RDS(on)最大值mΩ @5VGS IDA连续
EPC2107 双驱动同步升压 100 390 1.7
EPC2108 双驱动同步升压 60 240 1.7
EPC2106 半桥 100 70 1.7
EPC2104 半桥 100 6.8 30
EPC2103 半桥 80 5.5 30
EPC2102 半桥 60 4.9 30

总结

BLDC电机由于其小尺寸与功率比，是外科手术机器人的最佳选择。eGaN FET是正弦调制电机驱动的理想设备，具有更高的效率和更高的工作频率。用于电机控制电路的eGaN FET实现了更高的精度，并使电机驱动器更加紧凑。这个组合使设计师能够设计出比MOSFET方案更紧凑且具有更高灵活性的外科手术机器人。